CN110044835B - 三氧化硫在线分析系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电力、工业锅炉等环保技术领域，具体为三氧化硫在线分析系统及方法，包括采样系统、分析系统和控制系统；所述的采样系统包括依次连接的加热烟枪、气膜吸收反应器和气液分离器，以及依次连接在气液分离器气体出口端的气体质量流量计和抽气泵；加热烟枪的输入端连接在烟道进行采样，输出端连接气膜吸收反应器的气体入口，吸收反应器的吸收液入口的依次连接第一蠕动泵和异丙醇储罐；所述的分析系统包括依次连接的显色床、显色液储液器、第二蠕动泵和紫外分光光度计；显色床的进口端连接气液分离器的液体出口端；所述的控制系统的输出端通过信号传输接口分别连接第一蠕动泵、抽气泵、第二蠕动泵和紫外分光光度计。
Description
技术领域
本发明涉及电力、工业锅炉等环保技术领域，具体为三氧化硫在线分析系统及方法。
背景技术
燃煤电厂及工业锅炉的烟气中常含有SO3，SO3不仅是造成管道腐蚀和空预器堵塞的直接原因，而且也是形成PM2.5的重要前驱体，易引发大气雾霾。自2015年起，国内各地相关环保部门陆续将燃煤锅炉的SO3排放浓度限值定为5mg/m3。部分电厂喷射碱剂以降低烟气中的SO3浓度，SO3生成浓度受负荷影响大，SO3的浓度直接决定着碱剂的喷射量。因此，非常有必要对燃煤烟气中的SO3浓度进行实时策略可，为燃煤电厂及工业锅炉防治空预器堵塞、管道腐蚀、碱剂喷射量及SO3超标排放等问题提供指导依据。
目前，现有的SO3测量法多为离线测量法，无法实现在线监测的功能。虽然市面上已有公司根据异丙醇采样标准EPA-8a开发出SO3在线监测设备，但是该设备的技术原理在某些关键参数上与EPA-8a国际标准有出入，测量准确性有待商榷。因此，实现对燃煤烟气中SO3浓度的准确实时测量，是本技术领域继续解决的关键技术难题。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供三氧化硫在线分析系统及方法，能实现对燃煤烟气中SO3浓度的准确实时测量，为燃煤电厂及工业锅炉防治空预器堵塞、管道腐蚀、碱剂喷射量及SO3超标排放问题提供指导依据。
本发明是通过以下技术方案来实现：
三氧化硫在线分析系统，包括采样系统、分析系统和控制系统；
所述的采样系统包括依次连接的加热烟枪、气膜吸收反应器和气液分离器，以及依次连接在气液分离器气体出口端的气体质量流量计和抽气泵；加热烟枪的输入端连接在烟道进行采样，输出端连接气膜吸收反应器的气体入口，吸收反应器的吸收液入口的依次连接第一蠕动泵和异丙醇储罐；
所述的分析系统包括依次连接的显色床、显色液储液器、第二蠕动泵和紫外分光光度计；显色床的进口端连接气液分离器的液体出口端；
所述的控制系统的输出端通过信号传输接口分别连接第一蠕动泵、抽气泵、第二蠕动泵和紫外分光光度计。
优选的，加热烟枪内设置有热电偶，加热烟枪的末端经过滤器与采样冷凝管的气膜吸收反应器气体入口连接。
优选的，所述的气膜吸收反应器的出口端经砂芯板和气液分离器的进口端连接。
优选的，所述的气膜吸收反应器包括外壳，内壳和液体流道；外壳同轴套设在内壳外，外壳和内壳之间的腔体内设置有制冷介质；内壳顶部设置开口，底部设置出口；外壳顶部设置有与吸收反应器的吸收液入口连通的液体流道，液体流道的出口与内壳的开口连通；气膜吸收反应器的气体入口密封穿过外壳顶部与内壳的开口连通。
进一步的，所述的内壳包括从上到下依次连接设置的圆锥段、圆柱段和倒圆锥段。
优选的，所述紫外分光光度计的输出端设置废液瓶。
三氧化硫在线分析方法，包括以下步骤，
步骤1，开启抽气泵和第一蠕动泵，经加热烟枪抽取烟气；经加热烟枪抽取的含SO3/H2SO4蒸汽/SO3气溶胶气体和异丙醇溶液在吸收反应器里进行传质反应，并将SO3/H2SO4蒸汽/SO3气溶胶捕集于异丙醇溶液中；同时通过气体质量流量计采集气体体积；
步骤2，捕集了SO3/H2SO4蒸汽/SO3气溶胶的异丙醇溶液经过显色床与显色剂反应，生成紫色物质，进入到显色液储液器中；
步骤3，第二蠕动泵将显色液泵入紫外分光光度计进行测试，测得的吸光度A，通过硫酸-氯冉酸钡标准曲线换算成吸收液中的硫酸根离子浓度，并将此测得的硫酸根离子浓度传入控制系统内，结合采集的气体体积和第一蠕动泵控制的IPA吸收液体积，换算成烟气中的SO3浓度，并将此SO3浓度在控制系统中进行显示。
优选的，吸收反应器中发生的传质反应的温度为-2～2℃，加热烟枪内的加热温度为260-300℃。
进一步的，吸收反应器所需的-2～2℃反应温度，通过控制吸收反应器中循环的冰水混合物达到反应温度，或是通过制冷系统控制吸收反应器所处环境温度达到反应温度。
优选的，异丙醇储罐内的液体为体积浓度60％-100％的异丙醇水溶液。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明使用加热烟枪进行烟气取样并保温或加热后，通过第一蠕动泵实时地使异丙醇和吸收反应器内的取样烟气进行传质反应，并将SO3/H2SO4蒸汽捕集于异丙醇中；通过抽气泵提供烟气流动的动力，捕集了SO3/H2SO4蒸汽的异丙醇经过显色床进行显色反应生成紫色溶液，第二蠕动泵将紫色溶液注入紫外分光光度计进行测试，测试数据在控制系统中进行显示；从而可以对烟气中的SO3浓度进行在线监测，实时反映排放烟气中的SO3浓度。
进一步的，在吸收反应器的出口端设置有砂芯板，少量未被捕集的SO3/H2SO4蒸汽与异丙醇溶液能一起经过砂芯板进行再次传质捕集，确保SO3/H2SO4蒸汽的完全采集。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图；
图2为图1中吸收反应器结构及其气膜传质过程示意图。
图中：1-热电偶，2-加热烟枪，3-异丙醇储罐，41-第一蠕动泵，42-第二蠕动泵，5-吸收反应器，6-气液分离器，7-显色床，8-显色液储液器，9-气体质量流量计，10-抽气泵，11-紫外分光光度计，12-废液瓶，13-控制系统，14-信号传输接口，15-砂芯板。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，需要说明的是，下述实施例是说明性的，不是限定性的，不能以下述实施例来限定本发明的保护范围。
本发明三氧化硫在线分析系统及方法，能采集烟气中的三氧化硫及硫酸蒸汽，将三氧化硫和硫酸蒸汽转移到气液分离器中，并将收集到的采样收集液送往硫酸根离子分析系统进行分析，最终通过控制系统进行信号转换处理，并实时准确地显示测量数值，本仪器测量的三氧化硫的浓度范围能够满足燃煤烟气中的SO3浓度0.5～250mg/m3的范围。
本发明的采样系统是基于异丙醇EPA-8a采样标准的吸收采样原理开发而来，设计SO3/H2SO4蒸汽/SO3气溶胶的吸收反应器5，SO3/H2SO4蒸汽/SO3气溶胶与异丙醇在吸收反应器5中先通过气膜反应原理充分接触吸收，少量未被吸收的硫酸蒸汽或/SO3气溶胶与异丙醇一起通过砂芯板15，进行再次充分混合吸收，因此SO3/H2SO4蒸汽/SO3气溶胶在吸收反应器中能确保烟气中的SO3、硫酸蒸汽和SO3气溶胶被完全吸收。
所述的气膜吸收反应器5通过制冷机或是冰浴控制温度处于-2-2℃的环境内，烟气从气膜吸收反应器5的正上部进入，IPA溶液从气膜吸收反应器5的上端进入，烟气和IPA溶液在气膜吸收反应器5内形成气膜，烟气中的SO3、硫酸酸雾在气膜中进行传质吸收进入到IPA溶液，少量未被吸收的硫酸酸雾和SO3气溶胶随着烟气和IPA溶液一起通过气膜吸收反应器5底部的砂芯板，进行再次吸收。
本发明的硫酸根离子分析系统是基于硫酸根离子紫外分析的原理，并设置显色床、显色液储液器、蠕动泵和紫外分光光度计，待采样系统收集到的采样收集液经过显色床进行显色反应，生成显色液，随后用紫外分光光度计对显色液进行测量。测量原理为硫酸根离子紫外测量原理。
本发明将硫酸根离子分析系统测量的数据传输到控制系统，控制系统进行数据换算并显示测量浓度。具体的，通过分析系统测得的吸光度A，通过硫酸-氯冉酸钡标准曲线换算成吸收液中的硫酸根离子浓度，并将此测得的硫酸根离子浓度传入控制系统内，结合采集的气体体积和第一蠕动泵41控制的IPA吸收液体积，换算成烟气中的SO3浓度，并将此SO3浓度在控制系统13中进行显示。
本发明三氧化硫在线分析系统，具体如下，
如图1所示，分析系统包括采样系统、分析系统及控制系统13；采样系统由加热烟枪2、异丙醇储罐3、蠕动泵4、吸收反应器5、气液分离器6、气体质量流量计9和抽气泵10组成，分析系统由显色床7、显色液储液器8、蠕动泵4、紫外分光光度计11和废液瓶12组成。
本发明三氧化硫在线分析方法，具体如下，
开启抽气泵10和第一蠕动泵41进行采样，含SO3/H2SO4蒸汽气体和异丙醇在吸收反应器5里进行传质反应，并将SO3/H2SO4蒸汽捕集于异丙醇中。随后，捕集了SO3/H2SO4蒸汽的异丙醇经过显色床7与显色床7中的显色剂反应，生成紫色物质进入到显色液储液器8中，第二蠕动泵42将显色液泵入紫外分光光度计11进行测试，测试数据通过信号传输线传入控制系统13中进行数据处理并显示，测试完的液体排入废液瓶12中。异丙醇储罐3中存储体积浓度60％以上的异丙醇水溶液或异丙醇。在线分析系统的出数时间1～10秒。其中，过滤器用于过滤烟气中的粉尘；加热烟枪2中设置的热电偶1用于对其反馈加热烟枪2内的温度，使其将温度控制在260-300℃。
图2展示了SO3/H2SO4蒸汽与异丙醇在吸收反应器5中的传质过程，且吸收反应器5所需的冰浴环境可以是向吸收反应器5的外框内提供循环的冰水混合物，或是设置一个制冷系统，如空调制冷机，将吸收反应器5所处环境控制在-2～2℃。从图中可以看到异丙醇，也就是IPA，与烟气在吸收反应器中形成液膜，大部分SO3/H2SO4蒸汽在液膜上被异丙醇吸收捕集，少量未被捕集的SO3/H2SO4蒸汽与异丙醇一起经过砂芯板15进行再次传质捕集。吸收反应器5能使异丙醇与SO3/H2SO4蒸汽进行充分传质，确保SO3/H2SO4蒸汽的完全采集。
烟气中的主要组成是SO2和NO，SO2的浓度为2450mg/m3，NO的浓度为280mg/m3，烟气中的含氧量为6.0％，温度120℃。根据异丙醇吸收采样标准EPA-8a的离线采样法测得烟气中SO3的浓度为10.2mg/m3，而用本发明的分析方法测得该烟气中的SO3浓度为10.4mg/m3，与EPA-8a测量结果相差0.2mg/m3，相对标准偏差都在5％以内。
在实验室里搭建模拟的蒸汽发生试验台，分别配置三氧化硫浓度为1.3mg/m3、2.4mg/m3、5.1mg/m3、10mg/m3、20mg/m3、30mg/m3和50mg/m3的含三氧化硫的蒸汽模拟烟气，用本发明所提供的分析方法检测到的SO3/H2SO4蒸汽浓度与实际配置的浓度误差在2％以内，进一步说明本发明的方法检测准确性高。
Claims (7)
1.三氧化硫在线分析系统，其特征在于，包括采样系统、分析系统和控制系统(13)；
所述的采样系统包括依次连接的加热烟枪(2)、气膜吸收反应器(5)和气液分离器(6)，以及依次连接在气液分离器(6)气体出口端的气体质量流量计(9)和抽气泵(10)；加热烟枪(2)的输入端连接在烟道进行采样，输出端连接气膜吸收反应器(5)的气体入口，气膜 吸收反应器(5)的吸收液入口的依次连接第一蠕动泵(41)和异丙醇储罐(3)；
所述的分析系统包括依次连接的显色床(7)、显色液储液器(8)、第二蠕动泵(42)和紫外分光光度计(11)；显色床(7)的进口端连接气液分离器(6)的液体出口端；
所述的控制系统的输出端通过信号传输接口(14)分别连接第一蠕动泵(41)、抽气泵(10)、第二蠕动泵(42)和紫外分光光度计(11)；
所述的气膜吸收反应器(5)包括外壳(51)，内壳(52)和液体流道(53)；外壳(51)同轴套设在内壳(52)外，外壳(51)和内壳(52)之间的腔体内设置有制冷介质；内壳(52)顶部设置开口，底部设置出口；外壳(51)顶部设置有与气膜 吸收反应器(5)的吸收液入口连通的液体流道(53)，液体流道(53)的出口与内壳(52)的开口连通；气膜吸收反应器(5)的气体入口密封穿过外壳(51)顶部与内壳(52)的开口连通；所述的内壳(52)包括从上到下依次连接设置的圆锥段、圆柱段和倒圆锥段；气膜 吸收反应器(5)的反应温度为-2～2℃；
所述的气膜吸收反应器(5)的出口端经砂芯板(15)和气液分离器(6)的进口端连接；
经加热烟枪(2)抽取的含SO3/H2SO4蒸汽/SO3气溶胶气体和异丙醇溶液在气膜 吸收反应器(5)里形成液膜，进行传质反应，大部分SO3/H2SO4蒸汽在液膜上被异丙醇吸收捕集，少量未被捕集的SO3/H2SO4蒸汽与异丙醇一起经过砂芯板(15)进行再次传质捕集。
2.根据权利要求1所述的三氧化硫在线分析系统，其特征在于，加热烟枪(2)内设置有热电偶(1)，加热烟枪(2)的末端经过滤器与气膜吸收反应器(5)气体入口连接。
3.根据权利要求1所述的三氧化硫在线分析系统，其特征在于，所述紫外分光光度计(11)的输出端设置废液瓶(12)。
4.三氧化硫在线分析方法，其特征在于，采用如权利要求1-3任意一项所述的系统，包括以下步骤，
步骤1，开启抽气泵(10)和第一蠕动泵(41)，经加热烟枪(2)抽取烟气；经加热烟枪(2)抽取的含SO3/H2SO4蒸汽/SO3气溶胶气体和异丙醇溶液在气膜 吸收反应器(5)里进行传质反应，并将SO3/H2SO4蒸汽/SO3气溶胶捕集于异丙醇溶液中；同时通过气体质量流量计(9 )采集气体体积；
步骤2，捕集了SO3/H2SO4蒸汽/SO3气溶胶的异丙醇溶液经过显色床(7)与显色剂反应，生成紫色物质，进入到显色液储液器(8)中；
步骤3，第二蠕动泵(42)将显色液泵入紫外分光光度计(11)进行测试，测得的吸光度A，通过硫酸-氯冉酸钡标准曲线换算成吸收液中的硫酸根离子浓度，并将此测得的硫酸根离子浓度传入控制系统内，结合采集的气体体积和第一蠕动泵(41)控制的IPA吸收液体积，换算成烟气中的SO3浓度，并将此SO3浓度在控制系统(13)中进行显示。
5.根据权利要求4所述的三氧化硫在线分析方法，其特征在于，气膜 吸收反应器(5)中发生的传质反应的温度为-2～2℃，加热烟枪(2)内的加热温度为260-300℃。
6.根据权利要求5所述的三氧化硫在线分析方法，其特征在于，气膜 吸收反应器(5)所需的-2～2℃反应温度，通过控制气膜 吸收反应器(5)中循环的冰水混合物达到反应温度，或是通过制冷系统控制气膜 吸收反应器(5)所处环境温度达到反应温度。
7.根据权利要求4所述的三氧化硫在线分析方法，其特征在于，异丙醇储罐内的液体为体积浓度60％-100％的异丙醇水溶液。
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